【助力科研】突破传统！粉末挤出3D打印造高耐磨WC‑10Ni合金叶轮

在磨蚀‑腐蚀复合工况下，泵的使用寿命一直是工业痛点。核心原因就出在叶轮——既要扛磨损、又要抗腐蚀，传统工艺还做不出复杂结构。最近，中国核动力研究设计院团队采用粉末挤出成形（PEP）增材制造技术，成功搞定了大尺寸WC‑10Ni硬质合金叶轮，把硬度、致密度、成形精度拉满，给复杂硬质合金零件找到了一条全新量产路线。相关研究成果以题为“粉末挤出成形制备WC-10Ni叶轮的工艺与性能研究”发表于国家级焊接专业学术期刊《电焊机》上。

研究背景

叶轮是泵类设备的核心功能部件，其材料性能与制造质量直接决定泵的运行效率与使用寿命。在磨蚀–腐蚀复合工况下，传统叶轮材料耐磨性与耐蚀性不足，易失效损坏，严重影响设备稳定性。碳化钨（WC）具备高硬度、高耐磨、高耐蚀等优异特性，WC-10Ni硬质合金以镍为粘结相，耐腐蚀性更强，更适配核电、化工等严苛环境，是理想的叶轮用材。但WC脆性大、熔点高，传统粉末冶金模压成形受模具限制，难以制备复杂结构叶轮；直接增材制造热应力大，易出现开裂、缺陷等问题。粉末挤出成形（PEP）作为间接3D打印技术，热应力小、成形精度高，适合复杂硬质合金构件制备。为此，本文采用PEP技术，系统研究其制备WC-10Ni叶轮的工艺规律与性能调控机制，以解决复杂高性能碳化钨叶轮的制造瓶颈。

内容简介

为提升磨蚀-腐蚀复合工况下运行泵的使用寿命,采用兼具高耐磨性与高耐腐蚀性的碳化钨(WC)材料制备叶轮是关键｡以WC-10Ni为研究对象,采用粉末挤出成形(PEP)增材制造技术,系统研究了工艺参数对生坯成形精度的影响规律,以及烧结工艺对材料微观组织的调控机制｡结果表明,更高的生坯成形精度能有效减少内部缺陷,经分布脱脂与1520℃低压烧结后,所得WC-10Ni合金微观组织晶粒细小､分布均匀,致密度高,其综合力学性能显著优于传统粉末冶金方法制备的对比样件｡基于上述方法,完成了尺寸为⌀233mm×93mm的高致密度WC-10Ni叶轮制备｡本研究可为高性能､复杂结构碳化钨零部件的制备提供指导｡

本研究以磨蚀-腐蚀复合工况下泵用轴流式WC-10Ni叶轮为研究对象，基于粉末挤出成形（PEP）增材制造技术，系统探究了挤出成形工艺、脱脂温度及烧结工艺参数对精度、微观组织及力学性能的影响，实现了⌀233mm×93mm高致密度WC-10Ni叶轮的无缺陷制备。主要结论如下：

（1）采用粉末挤出成形工艺制备WC-10Ni合金，打印温度为175℃，基板温度100℃，喷嘴直径0.6mm，打印层厚0.15mm，打印速度60mm/s，能实现高尺寸精度生胚的成形；基于溶剂脱脂、热脱脂相结合的分布脱脂法，可以去除粘结剂的同时避免样件在脱脂过程中因剧烈分解而导致开裂、缺陷。

▲表2 粉末挤出成形工艺参数与WC-10Ni生坯尺寸误差

（2）在低压（5MPa）烧结环境、1520 ℃烧结温度下，制备的WC-10Ni试样致密度达99.9%、硬度达87.6HRC、抗弯强度达2600MPa，显著优于传统方法及其他增材制造方法制造的WC-10Ni样件性能，表明PEP工艺可以作为硬质合金的有效增材制造技术。

▲表5 PEP制备的WC-10Ni样件物理性能

（3）采用PEP工艺制备了⌀233mm×93mm的WC-10Ni叶轮，叶轮表面未发现开裂、鼓包等缺陷，轮廓清晰，成形质量较好，表明PEP工艺在复杂结构硬质合金零件制备具有巨大的应用潜力。

图片解析

图1：叶轮模型

图2：WC-10Ni粉末形貌

图3：PEP工艺流程

图4：脱脂率随溶剂脱脂时间的变化

图5：不同烧结工艺下WC-10Ni的金相组织

图6：粉末挤出成形制造的小叶轮生胚及烧结后实物

文章信息：TAN Xin, ZHAO Xuecen, CHENG Lingyu, et al.Process and Properties of WC-10Ni Impellers Fabricated by Powder Extrusion Printing[J].Electric Welding Machine, 2026, 56(3): 54-59. DOI：
10.7512/j.issn.1001-2303.2026.03.07.

总结与启示

本研究不仅成功实现了WC-10Ni叶轮的高精度、高致密度制造，还为硬质合金复杂零部件的增材制造提供了系统性的工艺参考。PEP技术作为一种低成本、高柔性的间接3D打印方法，正在打开高性能陶瓷与金属材料制造的新大门。

l PEP工艺是硬质合金增材制造的优选路径：它通过“先成形、后致密化”的逻辑，成功解决了WC脆性大、难成形、易开裂的行业痛点，实现“复杂结构+近全致密+高性能”三者兼得。

l 工艺参数精细化控制是关键：打印层厚、线宽、速度等参数对生坯精度影响显著，优化后可实现高精度、无缺陷成形。

l 烧结气氛与温度调控决定性能上限：低压（5MPa）烧结能有效消除孔隙，避免脱碳相（η相）生成，保证合金的纯度和韧性。

间接3D打印才是硬质合金的主流路线，相比激光直接熔化，PEP这类间接工艺更低应力、更低缺陷、更低成本，更适合大规模工业应用。如叶轮、喷嘴、阀门座等，均可通过PEP工艺实现高性能、无模具、快速制造。而材料体系则可进一步拓展。如WC-Co、WC-Ni-Cr、甚至陶瓷-金属复合材料均可尝试PEP工艺。在核能、航天、化工泵阀等高要求领域，PEP制造的WC-10Ni零部件有望替代传统工艺，显著提升设备寿命与可靠性，工业应用前景广阔。

来源声明：《电焊机》期刊，经升华三维市场部综合整理，仅供分享交流。